北斗B1信号干扰检测方法研究*

刘瑞华 梁欣萌 王 晶

1.中国民航大学电子信息工程学院，天津300300 2.民航航空器适航审定技术重点实验室，天津300300

0 引言

随着北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)的快速发展，确保北斗信号服务质量成为北斗系统面临的一项重大挑战。干扰监测技术主要包含干扰检测、干扰识别、干扰测向和干扰源定位4种关键技术。干扰检测是干扰监测的前期工作，只有完成干扰的存在性检测才能进行识别、测向和干扰源定位等后续工作[1]。关于干扰检测的理论方面，常用的检测方法包括能量检测法[2]、匹配滤波器检测法[3]、循环平稳特征检测法[4]、连续平均消除法[5]等。本文在研究一般干扰频点检测方法的基础上，针对北斗B1信号特征提出了改进的干扰检测方法。

1 北斗B1信号干扰检测方法

1.1 检测信号模型

干扰条件下，接收到的检测信号包括有用信号、噪声和干扰信号[6-11]。检测信号可表示为：

r(t)=s(t)+n(t)+J(t)

(1)

其中，s(t)表示有用信号，n(t)表示噪声，J(t)表示干扰信号。

根据信号的带宽特征，分为窄带和宽带干扰两类。干扰信号带宽小于有用信号带宽的10%称为窄带干扰，否则称为宽带干扰[6]。单频干扰、部分频带干扰属于窄带干扰，而脉冲干扰、宽带调频干扰、匹配波干扰等属于宽带干扰。当窄带干扰的干扰带宽接近无穷小时，称之为单频干扰，单频干扰是窄带干扰的极限形式。

本文使用高增益天线采集的北斗B1信号，已完成对射频信号的低噪放和下变频处理，得到的是数字中频信号[12]。北斗B1信号采集系统的采样频率为240MHz，频点为1561.098MHz的射频信号变成了频点为40.258MHz的数字中频信号。设数字中频信号用r(n)表示：

r(n)=s(n)+n(n)+J(n)

(2)

对r(n)做FFT变换，FFT点数为N：

k=0,1,2,…,N-1

(3)

R(k)=S(k)+N(k)+J(k)

(4)

其中，S(k)、N(k)、J(k)分别表示s(n)、n(n)、J(n)的FFT变换。

从滤波器的角度看，FFT运算可以看成是将信号通过一组归一化中心频率为2πk/N，k=0,1,2,…,N-1的窄带滤波器，R(k)表示第k个滤波器的输出[13-14]。卫星信号经扩频后功率很小，几乎淹没在白噪声中，信号可近似看做高斯白噪声加单频干扰通过窄带滤波器。假设单频干扰信号的中心频率正好处于滤波器的中心频率，则干扰可完全通过窄带滤波器，高斯白噪声信号转变为窄带高斯白噪声。此时接收信号可表示为噪声信号和单频干扰之和。设R(k)的包络为A(k)，则A(k)表示为：

k=0,1,2,…,N-1

(5)

1.2 一般干扰频点检测方法

一般干扰频点检测方法[8]的检测流程如图1所示。对数字中频信号r(n)进行FFT变换，设置适当的检测门限对各个频点的谱线值进行判决，得出检测结果。

图1 一般干扰频点检测流程

正弦信号和窄带高斯信号之和的包络服从莱斯分布，也叫广义瑞利分布，对信号做FFT变换不会改变信号的包络分布，故R(k)的包络A(k)服从广义瑞利分布，其概率密度函数为：

(6)

式中，σ2为噪声方差，PJ为单频干扰功率，I0(·)为修正的0阶第一类贝塞尔函数。

假设噪声方差σ2恒定，当干扰很小时，包络A(k)的概率密度函数和期望可近似为：

(7)

(8)

当干扰很大时，包络A(k)的概率密度函数和期望可近似为：

(9)

(10)

检测门限值使用仅噪声情况下期望的虚警率和信号的统计特性先验计算。当干扰不存在时，接收信号FFT变换后的包络A(k)服从瑞利分布，A(k)的分布函数表示为：

(11)

则：

(12)

对于检测门限，CME算法要求大多数包络谱线值均小于干扰检测门限，设此时干扰检测的虚警概率为Pf，T为检测门限值，那么包络谱线将有F(T)=1-Pf的概率小于检测门限T。T由式(13)计算得到：

(13)

其中，Am为包络A(k)的谱线总和，a为检测门限因子：

(14)

由公式(14)得不同虚警概率对应的检测因子如表1所示。虚警概率越小，检测因子越大[9]。

表1 检测门限因子

一般干扰检测方法中包括单门限检测与双门限检测2种基本方法[11]，不同在于单门限检测只需设定一个虚警概率，而双门限检测需要设定高低2个不同的虚警概率对应高低两个不同的检测门限，先使用低检测门限检测，再使用高检测门限做进一步检测[15]。

1.3 分段干扰频点检测方法

对于北斗B1信号，若检测整段频谱内的干扰，计算量大，检测性能低，结果不准确。北斗B1信号1dB工作带宽为4.092MHz，3dB工作带宽为16MHz。带外干扰对于北斗B1信号的影响较小，所以只需要对3dB工作带宽内的信号进行干扰检测，这样可以提高检测效率，且不用检测带外干扰，大大优化了检测性能。

根据北斗B1信号的信号体制[16]，在3dB带宽内存在1个主瓣和对称的6个旁瓣。对于40.258MHz的数字中频信号，采用分段检测法对信号3dB带宽(32.258MHz～48.258MHz)分7段进行干扰检测，频段划分如表2所示。

表2 北斗B1信号干扰检测频段划分

分段干扰检测方法的流程为：

图2 分段干扰检测流程

1)设定两个空子集I(n)和J(n)，I(n)为非干扰频点子集，J(n)为干扰频点子集；

2)对接收信号r(t)取N点的FFT运算，根据式(12)求R(n)的包络A(n)，N取240000，同时取北斗B1信号3 dB工作带宽频段内包络谱线Ab(n)；

3)将包络谱线划分为七段，逐段检测；

4)由Ab1(n)的包络谱线得初始检测门限；

5)将Ab1(n)的谱线值与步骤4中的初始检测门限值比较，若谱线值大于初始检测门限，将谱线值及对应位置更新为干扰频点子集J(n)中，其余谱线更新到非干扰频点子集I(n)；

6)由步骤5中的I(n)得出新的干扰检测门限，将I(n)中的谱线值与新的检测门限对比，若谱线值大于检测门限，将谱线值及对应位置更新到干扰频点子集J(n)，同时相应位置的I(n)置为0；

7)重复步骤6，直到没有谱线可更新到干扰频点子集中。若非干扰频点子集I(n)有p条谱线，则干扰频点子集J(n)中有N-p条谱线；

8)假设采用双门限检测，则对中的条谱线求均值，计算得到高检测门限，将步骤(7)中干扰频点子集中的谱线与高检测门限对比，将最终大于检测门限的谱线更新到，剩余谱线更新到非干扰频点子集中；

9)此时的干扰频点子集J(n)为信号第1个频段32.258MHz～34.2588MHz内的检测结果。

10)重复步骤4～9对其他6个频段进行检测，更新后的干扰频点子集J(n)为最终检测结果。

2 仿真校验

2.1 检测性能分析

整段检测与分段检测的检测结果对比如图3所示，黑色谱线表示接收信号原始包络谱线，谱线上标注的圆点表示干扰频点。

可以看出，整段检测将有用信号错误检测为干扰信号，检测效果差，检测结果不准确；分段检测方法可以检测出谱线中异常突起的位置，检测效果相对较好，检测结果较为准确。

表3为单门限、双门限与分段、整段检测对于不同采样时长的北斗B1信号15次处理的平均检测时间对比，结果表明：分段检测所需时间较短，检测效率较高，且数据采样时间越长差异越明显。

图3 整段检测与分段检测结果对比

表3 检测时间对比

2.2 干扰数据处理

北斗B1射频信号经过低噪放之后与信号源产生的干扰信号通过合路器叠加输入到下变频器中，再通过北斗信号采集系统进行采集，产生干扰数据。

信号采样时间是1000ms，CME和FCME分段检测算法的虚警率为1×10-5，基于双门限检测的虚警率分别为1×10-5和0.005，FFT变换采样点数为240000。对叠加不同干扰信号的MEO-3号卫星进行干扰检测。

单门限分段检测算法对于单个频点的干扰信号的检测效果较好，但在干扰信号带宽较宽的情况下容易漏检。双门限分段检测的检测算法在干扰较弱或只有单个频点干扰的情况下，容易将正常频点的信号检测为干扰信号，检测效果不佳，但在干扰带宽较宽、干扰信号功率较大的情况下，效果优于单门限分段检测算法。

2.3 北斗B1信号数据处理

对高增益天线采集的北斗B1信号离线数据进行干扰检测，数据采样率为240MHz，中心频率为40.258MHz。采集若干颗卫星信号数据，对比其信号质量并对部分卫星信号做干扰检测处理。信号的采样时间是1000ms，CME和FCME分段检测算法的虚警率为1×10-5，基于双门限检测的两个虚警率分别为1×10-5和0.005，FFT变换采样点数为240000。图6和图7为GEO-1号卫星的干扰检测结果。

图4 单门限分段干扰检测结果

图5 双门限分段干扰检测结果

图6 GEO-1号卫星单门限干扰检测结果

图7 GEO-1号卫星双门限干扰检测结果

从图7看出，GEO-1号卫星有载波泄露现象，在第一旁瓣出现码频泄露，但没有对信号造成过大影响。而双门限分段检测算法出现了较大的虚检情况。

3 结论

本文针对北斗B1信号提出的分段干扰检测方法，检测效果好，检测效率有所提高。实际测试中，使用矢量信号源作为干扰源产生干扰信号，与北斗B1信号进行叠加，验证了分段干扰检测方法的有效性。实验结果表明：单门限分段检测算法对于单个频点的干扰信号的检测效果较好，但在干扰信号带宽较宽的情况下容易发生漏检现象;双门限分段检测算法在干扰带宽较宽、干扰信号功率较大的情况下，检测效果优于单门限分段检测算法。